通信工程中光纖技術的設計應用和發展趨勢

王文萃

（中國人民解放軍31401部隊，遼寧 大連 116000）

0 引 言

所謂“通信”，是指對生活中的事物進行解讀后得出的相關認知，然后再將之傳遞給他人的過程。在古代，“烽火狼煙”和“飛鴿傳書”等，都是信息傳遞的常見方式，而在信息時代，通信的精髓在于：提高信息傳輸效率、保證信息傳遞過程的安全性。自2009年諾貝爾獎得主高錕和George A.Hockham提出光纖可用于通信傳輸的設想以來，光纖逐漸取代電纜，成為有線寬帶網絡通信過程的核心材料。

1 通信工程中光纖技術的主要作用及實現原理分析

通信工程的實質是將信息轉換成信號后，進行定向傳輸。盡管現代科學技術已經突飛猛進，但是想要提升信息傳輸的效率，依然要依托能源供應（電能）和特定的載體才能完成。在光纖出現之前，有限寬帶網絡依靠電纜進行信息傳輸。彼時，由于帶寬不足以及電纜材料自身的性能限制，用戶普遍感覺“網速慢”“網卡”。高錕等科學家經過多年研究，提出將光纖用于通信傳輸的設想。這一設想提出后，隨之而來的問題是如何解決輸電問題。美國拉里安公司給出的解決方案如下：首先，在信號發送端，運用半導體激光二極管將電能轉換為激光，并通過光纖完成傳播；然后，將太陽能電池改造成接收端，實現光纖輸電。這一過程即為光纖技術應用于通信工程領域的初始模式。而進一步提升激光二極管的功率，并搭配完善的電能傳輸系統，光纖輸電（信號）的應用范圍理論上可以無限擴大。但是，隨著研究的不斷深入，研究人員發現，僅僅將光纖作為一種用于傳遞電信號的載體，傳輸速度的提升幅度并不明顯。根據物理學原理：在外力作用下，電信號可以定向轉換為其他形式的信號，以提升傳輸速度。此種理念一經提出，研究人員圍繞光纖進行調整，逐步形成了完善的光纖技術。原則上，完整的光纖傳輸系統應由如下三部分組成。

1.1 光信號發送端

通過發光二極管、半導體激光管等元器件，盡管可以實現電信號與光信號的互相轉化，但核心問題在于：此類元器件的輸出光功率過低，有效作用范圍僅限于局域網內。如果空間范圍局限于此，便無法實現光纖傳輸的巨大價值。基于此，以多模石英光纖為代表的傳輸光纖應運而生，其作用原理為：以發光二極管為核心元器件，對電路進行驅動和調試，在信號調制方式方面有所調整，轉換為光強度調制。在該系統中，發送光強度調節電位器能夠對流過LED的靜態驅動電流進行定向調整，通過調整發光二極管的發光功率，使音頻等信號經過電容、電阻網絡、運放跟隨隔離后，耦合至負輸入端；之后在發光二極管靜態驅動電流疊加的作用下，轉變為光信號。

1.2 光信號接收端

光信號發出并傳遞至目標位置之后，需要有相應的設備完成對該信號的接收，將之轉換為電信號后，解析其中搭載的信息。在此過程中，光電二極管的作用不可忽視，否則轉換后的電信號很可能出現與光信號不成正比的情況，從而導致信息丟失。同時，光電二極管的運放響應頻率與系統整體的運行頻率息息相關，在接收信號時必須重點監控。

1.3 傳輸光纖

石英光纖做為光信號的直接載體，在實質上發揮介質波導的作用，將光信號“限制”在光纖內部，使之無法“泄露”，必須沿著光纜的架設方向進行傳輸。相較之下，電纜的芯徑達到毫米級別，而光纜的芯徑為微米級（幾微米到幾百微米不等）。基于傳輸模式的不同，單模、多模傳輸光纖各自擁有特定的應用范圍[1]。

在50M～100M寬帶得到普及的背后，光纖技術發揮了巨大的作用，如果此種材料及配套技術未能被及時發現，有限寬帶網絡乃至移動互聯網的發展必然受到較大的影響。

2 通信工程中光纖技術的設計應用簡析

2.1 光纜防護領域的光纖振動預警技術

得益于移動智能設備的普及，移動互聯網對有線寬帶網絡造成了極大的沖擊。此種網絡的“方便”之處在于：用戶的終端設備無需借助光纜完成連接，只需借助內置的無線信號接受裝置，即可與移動互聯網的基站完成信息的無線傳遞與接收。雖然移動互聯網逐漸普及，但是在短時間內，傳統的光纖技術通信模式依然擁有大量用戶。尤其是在三網融合背景下，高清數字電視端依然需要通過光纖完成信號的傳輸。在通信工程領域的光纖技術，除了保證正常狀態下的信息安全與信號平穩、高效傳輸外，其面臨的最大問題在于如何保護光纜的安全。例如，大型機械設備之間通過移動互聯網進行信號傳輸時，容易在噪聲或其他強烈信號的干擾下，造成信息失真，導致工作效率降低，故在有線連接模式下，保護光纜的安全，意味著保證信息傳遞的安全。

光纜振動預警技術的核心原理相對簡單，即在光纖網絡中相對特殊的區域，分別安裝精度極高的光纖振動傳感器，并在其他監控設備的配合下，共同形成完整的智能系統。當光纜受到來自外界的不明作用力時，光纖即時產生振動。此時，基于光的干涉原理，光纜受任何微小振動均會出現相位變動，系統中的傳感器和智能數據分析體系將會開展即時分析，從而有效識別破壞力的危險程度。此技術無需人工介入，并可實現24 h不間斷監測。計算機總控端的數據庫內存有大量針對外部侵害的信息，并完成詳細分級，故對外力入侵的判斷十分準確，出現誤判、誤報的概率極低。一旦判斷為“高風險”，在具體位置的鎖定方面，計算機總控端能夠將極其精準的信息提供給防護人員[2]。

2.2 光纖傳感技術

作為衡量一個國家信息化程度的重要參數，光纖傳感技術的發展時間雖然已經超過了40年，但對于軍事、國防、航天航空等幾乎全部領域的信息傳輸仍然在時刻發揮重要作用。光纖傳感是指精確感知外界被測量的目標信號，并完成傳輸。其中，感知（敏感）是指當外界信號遵照一定的變化規律，通過光波進行傳輸時，必然具備一定規模的物理特征參量，如功率、波長、相位以及偏振態等。通過觀測光參量變化的情況，實時了解外界信號的變化，本質上是外界信號對光纖中傳播的光波進行實時調制。而“傳輸”，并非常規意義的光信號傳播，而是光纖系統將受外界信號調制處理后的光波，傳輸至系統自帶的光探測器端進行檢測，通過解調過程，將外界的信號（不一定是干擾，也可能是通過特殊形式傳遞而來的信息）進行剝離或提取，圍繞其中蘊藏的信息展開分析。由此可見，光纖傳感技術的本質是對外部信號進行調制和解調。

2.3 光纖接入技術

上述兩種光纖技術在通信工程領域中雖然擁有重要地位，但與大眾用戶的關聯并不深。相較之下，光纖接入技術直接與用戶對接，產生的影響更加直觀。光纖接入技術利用光纖傳輸模式，圍繞本地交換機、遠端模塊以及用戶，形成完整或局部的光纖通信系統。通常，光纖接入網絡借助數字基帶傳輸技術，開展雙向交互式傳輸業務，為用戶提供信息分享服務。同其他技術一樣，盡管移動互聯網+智能手機的模式已經成為個人用戶的首選，但智能手機、筆記本電腦在很多方面依然無法完全取代臺式機+有線寬帶網絡模式。隨著寬帶接入網進入高速發展時期，光纖接入技術也得到了普及。接入網絡主要存在FTTN、FTTC以及FTTH共3種系統結構環路。3種方案在初期的構想中，分別對應不同的需求。其中，LAN為局域網，對小區用戶進行整體接入控制。但隨著通信技術的不斷升級，三網融合等重大戰略規劃逐漸完成，有線與無線之間、不同設備之間智能化程度的區別正在逐漸減弱，光纖直接接入用戶端的模式已經成為主流，每個獨立用戶均可以根據自身需要，選擇理論上最小為2M，最高達到155M的帶寬[3]。

3 通信工程中光纖技術未來的發展趨勢

3.1 光纖材料及技術與5G技術的協調發展

5G全稱為第五代移動通信技術，根據上文所述，移動通信、移動互聯網以及有線寬帶互聯網間存在著直接競爭關系，與廣播電視網絡并稱為“三網”，理論上的業務重點分別為移動設備（智能手機、平板及筆記本電腦）、大型數字設備（臺式電腦、工業領域的機組設備）以及傳統的數字媒體（電視的信號收集模式升級后，轉變為高清數字電視）。“三網”各有側重點的服務模式持續了數年時間，時至今日，已經到了技術通用和協調發展的歷史新階段。基于此，同樣處于通信工程領域，光纖技術未來的重要發展方向，除了繼續為忠實客戶提供穩定的信息傳輸分享服務外，還需在光纖材料方面著手，與5G以及未來的6G、7G等移動通信技術協調發展。5G智能手機對其外殼的信號傳輸能力提出了極高的要求，因此，光纖技術的發展方向需要不斷擴展，避免受到傳統思維的制約[4]。

3.2 基于物聯網廣泛應用背景下光纖技術的發展方向

物聯網被稱為“下一代互聯網”，其特性為，在信息的傳播方式方面謀求“一致”。盡管物聯網的發展會使人類生活進一步發生變化，但真正廣泛應用后，數據信息傳播方式的發展走向尚屬未知，屆時，光纖材料以及技術已經發展至何種程度，與物聯網的契合程度是否符合大眾消費者及特殊消費群體的預期，需要仔細考量。筆者認為，相較于5G技術，物聯網的概念盡管早已存在，但具體運營模式仍過于抽象化，各大廠商目前給出的物聯網架設雛形究竟能否成功布置、何時完成布置，對光纖技術提升會提出何種具體要求等，均缺乏系統性的理論支撐。因此，光纖技術與5G及之后的移動通信技術合作發展在一段時間內將會成為主流趨勢，但必須對于物聯網有關的所有信息進行實時收集、分析，避免錯過良機。

4 結 論

通信的核心發展思路在于用更具效率的方式實現信息的定向傳送。在寬帶互聯網領域內，光纖材料及技術的應用已經證明了其效率遠遠超過電纜。但信息經由“傳播源頭-載體-傳輸終端”實現傳輸的傳統模式已經出現了較大的改變，如“載體”逐漸抽象化（無線對有線的沖擊，無需借助實物材質完成“連接”）。故光纖技術未來的發展方向在于探索與移動互聯網領域合作的更多可能性。